一种输出恒定电流的旋转摩擦发电的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种输出恒定电流的旋转摩擦发电机，其包括至少一个第一子摩擦件和至少一个第二子摩擦件，且第一子摩擦件和第二子摩擦件表面分别设置有第一子电极和第二子电极；且第一子摩擦件和第二子摩擦件末端分别设置有第一导电部件和第二导电部件；所述第一子摩擦件的另一表面能够相对第二子摩擦件的另一表面在顺时针或逆时针方向上做匀速摩擦滑动。本发明中通过匀速圆周运动使两个摩擦件始终保持接触摩擦，产生感应电荷，驱动外电路中电子的流动，并通过导电部件作为换向器，实现恒定电流的输出。该发明结构简单，实现方便，成本低，可用于对电子器件的持续平稳供电，也可用于对电容器的持续平稳充电，具有很好的社会和经济效益。
【专利说明】—种输出恒定电流的旋转摩擦发电机
【技术领域】
[0001]本发明属于发电【技术领域】，特别是提供了一种输出恒定电流的旋转摩擦发电机。【背景技术】
[0002]采用纳米技术的能量收集和转换装置，由于其独特的自发电和自驱动性质，很可能在制造和驱动自供电纳米器件和纳米系统装置中起到关键性的作用，最近受到了各国研究人员越来越多的关注。2006年，美国佐治亚理工学院王中林教授研究组首次成功实现了利用氧化锌纳米线将机械能转化为电能的压电式纳米发电机。随后，以压电效应为基础，基于不同材料和结构的各种纳米发电机被相继研制出来。目前，纳米发电机的输出功率足以驱动商用发光二极管、小型液晶显示器，以及自供电无线数据传送设备。
[0003]通常来讲，发电机是一种能够生成电荷，将正负电荷分开，并用电势产生的电荷驱动自由电子流的方法，它能够以电磁、压电、电热甚至静电效应为基础。纳米发电机依靠氧化锌纳米线所生成的压电电势实现了发电。另一方面，摩擦电和静电现象是一种非常普遍的现象，存在于我们日常生活中各个层面，从走路到开车等等。由于它很难被收集和利用，往往是被人们所忽略的一种能源形式。如果能够通过一种新的方法收集摩擦产生的电能或者利用该方法将大自然中的动能转换为能够利用的电能，将对人们的日常生活产生重要影响。目前，静电微型发电机已被研制成功，并且在微机电领域得到广泛应用。但是微型静电发电机的设计主要以无机硅材料为基础，并且器件的制造需要复杂的工艺和精密的操作。整个装置的制备需要大型的仪器设备和特殊的生产条件，造价成本过高，不利于发电机的商业化和日常应用。申请号为201210149940.8和201210160542.6的中国发明专利申请公开了一种摩擦发电机，通过摩擦生电现象和电荷分离方式来发电，但是该摩擦发电机仅能产生脉冲式的电流输出。申请号为200910080638.X的中国发明专利申请公开了一种旋转摩擦发电机，该发电机通过定子和转子上的摩擦材料间的旋转摩擦产生电荷，但是该旋转摩擦发电机很难向外电路输出电流，发电效率很低。
【发明内容】
[0004]为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种输出恒定电流的旋转摩擦发电机。
[0005]根据本发明的一方面。提出了一种输出恒定电流的旋转摩擦发电机，其包括:
[0006]第一摩擦件，包括至少一个第一子摩擦件，每个所述第一子摩擦件的一表面接触设置有第一子电极；
[0007]与每个所述第一子摩擦件相对位置不变的一对第一导电部件，分别位于第一子摩擦件的第一末端和第二末端；
[0008]第二摩擦件，包括与所述第一子摩擦件相等数量的第二子摩擦件，每个所述第二子摩擦件的一表面接触设置有第二子电极；
[0009]与每个所述第二子摩擦件相对位置不变的一对第二导电部件，分别位于第二子摩擦件的第一末端和第二末端；
[0010]其中，所有位于第一子摩擦件第一末端的第一导电部件与所有位于第二子摩擦件第一末端的第二导电部件电连接在一起形成第一电连接点；所有位于第一子摩擦件第二末端的第一导电部件与所有位于第二子摩擦件第二末端的第二导电部件电连接在一起形成第二电连接点；
[0011]所述第一子摩擦件的另一表面能够相对第二子摩擦件的另一表面在顺时针或逆时针方向上做匀速摩擦滑动；在所述滑动摩擦的滑动过程中，每对所述第一导电部件中的一个始终与第二子电极电接触，每对所述第二导电部件中的一个始终与第一子电极电接触，且同时与第二子电极电接触的第一导电部件和第一子电极电接触的第二导电部件所连接的电连接点不同，使得在该滑动过程中，第一电连接点和第二电连接点之间始终产生恒定的电流。
[0012]其中，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件均为，且为同心平面半圆环结构。
[0013]其中，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件的内表面接触设置，第一子电极和第二子电极的内表面分别与第一子摩擦件和第二子摩擦件的外表面接触设置。
[0014]其中，所述每对第一导电部件中的一个始终与第二子电极的内表面电接触；所述每对第二导电部件中的一个始终与第一子电极的内表面电接触。
[0015]其中，所述每对第一导电部件中的一个始终与第二子电极的外表面电接触；所述每对第二导电部件中的一个始终与第一子电极的外表面电接触。
[0016]其中，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件包括多个，且多个第一子摩擦件大小相同、相对位置不变且间隔均匀，多个第二子摩擦件的大小相同、相对位置不变且间隔均匀，且所述多个第一子摩擦件和所述多个第二子摩擦件分别共同组合构成同心平面半圆环结构。
[0017]其中，每个所述第一子摩擦件和所述多个第二子摩擦件中的一个的内表面始终摩擦接触，第一子电极和第二子电极分别设置在第一子摩擦件和第二子摩擦件的外表面。
[0018]其中，所述每对第一导电部件中的一个始终与第二子电极内表面电接触；所述每对第一导电部件中的一个始终与第一子电极内表面电接触。
[0019]其中，所述每对第一导电部件中的一个始终与第二子电极外表面电接触；所述每对第二导电部件中的一个始终与第一子电极外表面电接触。
[0020]其中，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件均仅包括一个，且是横截面为同心半圆环的柱状结构。
[0021]其中，所述第一子摩擦件的内表面与所述第二子摩擦件的外表面摩擦接触，第一子电极设置在第一子摩擦件的外表面，第二子电极设置在第二子摩擦件的所述一个部分的内表面。
[0022]其中，所述每对第一导电部件中的一个始终与第二子电极的外表面电接触；所述每对第二导电部件中的一个始终与第一子电极的内表面电接触。
[0023]其中，所述每对第一导电部件中的一个始终与第二子电极的内表面电接触；所述每对第二导电部件中的一个始终与第一子电极的外表面电接触。
[0024]其中，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件分别包括多个，且所述多个第一子摩擦件大小相同、相对位置不变且间隔均匀，所述多个第二子摩擦件大小相同、相对位置不变且间隔均匀；所述多个第一子摩擦件和多个第二子摩擦件分别共同组合构成横截面为同心半圆环的柱状结构。
[0025]其中，每个所述第一子摩擦件的内表面和多个第二子摩擦件中的一个的外表面摩擦接触，第一子电极设置在第一子摩擦件的外表面，第二子电极设置在第二子摩擦件的内表面。
[0026]其中，所述每对第一导电部件中的一个始终与第二子电极外表面电接触；所述每对第二导电部件中的一个始终与第一子电极内表面电接触。
[0027]其中，所述每对第一导电部件中的一个始终与第二子电极内表面电接触；所述第二导电部件中的一个始终与第一电极外表面电接触。
[0028]其中，电流始终从第一电连接点流向第二电连接点。
[0029]其中，第一子摩擦件和第二子摩擦件采用两种电负性不同的材料制成。
[0030]其中，第一子摩擦件和第二子摩擦件采用绝缘体材料、半导体材料或金属中的任意一种制成。
[0031 ] 其中，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件采用高分子聚合物材料制成。
[0032]其中，所述半导体材料包括晶态半导体材料、非晶态玻璃半导体材料、有机半导体材料。
[0033]其中，所述金属包括金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬、硒及其前述任意金属形成的合金。
[0034]其中，所述第一导电部件和第二导电部件均为电刷。
[0035]本发明提出的上述方案，采用两种电负性不同的材料作为摩擦件，通过使两个摩擦件始终保持接触滑动摩擦，在接触面积增大或减小过程中两个摩擦件的接触面积匀速增大或减小，并通过导电部件作为换向器，实现直流电的输出。特别是当滑动摩擦为匀速圆周运动时，可以实现恒定电流的输出。该发明结构简单，实现方便，成本低，可用于对电子器件的持续平稳供电，也可用于对电容器的持续平稳充电，具有很好的社会和经济效益。
[0036]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的【具体实施方式】。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为本发明第一实施例中旋转摩擦发电机结构的主视图；
[0038]图2为本发明第一实施例中旋转摩擦发电机结构的仰视图；
[0039]图3为本发明第一实施例中旋转摩擦发电机的工作原理示意图；
[0040]图4为本发明第一实施例中第一摩擦件在0°至180°的运动过程中旋转摩擦发电机的等效电路图；
[0041]图5为本发明第一实施例中第一摩擦件在180°至360°的运动过程中旋转摩擦发电机的等效电路图；
[0042]图6为本发明第二实施例中旋转摩擦发电机的结构图；
[0043]图7为本发明第三实施例中旋转摩擦发电机结构图；
[0044]图8为本发明第三实施例中旋转摩擦发电机的工作原理图；[0045]图9为本发明第四实施例中旋转摩擦发电机结构图。
【具体实施方式】
[0046]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0047]图1和图2分别示出了本发明第一实施例中一种输出恒定电流的旋转摩擦发电机结构图。如图1、图2所示，图1为主视图，图2为图1的仰视图。在本实施例中，该输出恒定电流的旋转摩擦发电机包括:第一摩擦件2、一对第一导电部件31、32、第二摩擦件5和一对第二导电部件61、62，第一摩擦件2的外表面设置有第一电极I，第二摩擦件5的外表面设置有第二电极4。本实施例中，第一摩擦件2仅包括一个第一子摩擦件，第二摩擦件5仅包括一个第二子摩擦件。
[0048]所述第一摩擦件2的内表面能够相对第二摩擦件5的内表面在顺时针或逆时针方向上做匀速摩擦滑动。所述一对第一导电部件31、32分别位于第一摩擦件2的第一末端和第二末端，且与第一摩擦件2的相对位置不变。所述一对第二导电部件61、62分别位于第二摩擦件5的第一末端和第二末端，且与第二摩擦件5的相对位置不变。另外，位于第一摩擦件2第二末端的第二导电部件32和位于第二摩擦件5第二末端的第二导电部件62通过导线电连接于第一电连接点A，位于第一摩擦件2第一末端的第一导电部件31和位于第二摩擦件5第二末端的第二导电部件61通过导线电连接于第二电连接点B。其中，所述第一摩擦件和第二摩擦件的第一末端和第二末端为在滑动过程中相互接触或相互分离时，最先接触或最后分离的端部。
[0049]本实施例中，第一电极1、第一摩擦件2、第二电极4、第二摩擦件5均为同圆心的平面半圆环结构，可选的，所述第一摩擦件I和第二摩擦件2的圆环内半径可以相同或不同，外半径可以相同或不同，而所述第一电极I和第二电极4的圆环内半径可以相同或不同，本实施例中所示出的第一电极I的圆环内半径大于第二电极4的圆环内半径，但是小于第二电极4的圆环外半径；所述第一电极I固定于所述第一摩擦件2的圆环外表面，且其与第一摩擦件2相接触的表面在第一摩擦件2内侧具有露出部分，第二电极4固定于所述第二摩擦件5的圆环外表面，且其与第二摩擦件5相接触的表面在第二摩擦件5外侧具有露出部分。一对第一导电部件31、32分别位于第一摩擦件2的内侧末端，而一对第二导电部件61、62分别位于第二摩擦件5的外侧末端。因此，第一摩擦件2相对于第二摩擦件5摩擦滑动过程中，一对第一导电部件31、32之一始终与第一电极I电接触,而一对第二导电部件61、62之一始终与第二电极2电接触。
[0050]本实施例中第一摩擦件2能够绕其圆环对应的圆心做顺时针圆周运动，并能带动第一电极I和第一导电部件31、32 —起做顺时针圆周运动。所述第一导电部件和第二导电部件均可为电刷，其形状可以为长方体结构(图1示出了长方体结构一端面，其为正方形结构)。第一摩擦件2的材料优选为尼龙，第二摩擦件5的材料优选为聚四氟乙烯，第二电极4和第一电极I的材料优选为招，两对导电部件的材料优选为电化石墨。
[0051]第一摩擦件2和第一摩擦件5的内表面存在一定的粗糙度，且采用两种电负性不同的材料制成。因此，本发明中通过圆周运动使两个摩擦件始终保持接触摩擦，并通过导电部件作为换向器，实现直流电的输出。当滑动摩擦为匀速圆周运动时，可以实现恒定电流的输出。
[0052]输出恒定电流的旋转摩擦发电机工作原理为，当第一摩擦件2与第二摩擦件5接触滑动时，两个界面部分发生相互摩擦，由于两个摩擦件表面电负性不同，等量但电性相反的静电荷在界面处生成并分布在两个不同的摩擦件上，第一摩擦件2带正或负电荷，而第二摩擦件5表面带与第一摩擦件2极性相反的电荷，这样就在界面处形成了一个称之为摩擦电势的偶极层。而该偶极层在第一电极I和第二电极4之间形成了一个内电势。由于第一摩擦件2与第二摩擦件5本身是绝缘的，所以感应电荷不会被迅速导走或中和。当第一摩擦件相对第二摩擦件运动时，第一电极I和第二电极4将在外电路导通的情况下，分别在两个电极上产生出电性相反的自由电荷，以抵消两个摩擦件生成的感应电荷，因此，通过第一导电部件和第二导电部件形成外电流。
[0053]图3示出了本发明第一实施例中旋转摩擦发电机的工作原理示意图。如图3所示，位于第一电极I左半圆环内侧的第一导电部件31与位于第二电极4左半圆环外侧的第二导电部件61有共同的第一电连接点B，而位于第一电极I右半圆环内侧的另一第一导电部件32与第二电极4右半圆环外侧的另一第二导电部件有共同的第二电连接点A，即第一导电部件31与第二导电部件61电连接，而另一第一导电部件32与另一第二导电部件62电连接。第二摩擦件2与第二电极I接触设置且位置不变，第一摩擦件5带动第一电极4做顺时针圆周运动，使两个摩擦件产生摩擦；第二导电部件位置不变，第一导电部件与第一摩擦件2具有固定的机械连接且相对位置不变，因此第一导电部件随第一摩擦件一起做顺时针圆周运动。而由于导电部件的作用是导电和换向，因此当第一摩擦件2做顺时针圆周运动时，通过第一导电部件31、32和第二导电部件61、62形成的外电流，始终从第一电连接点A经外电路负载流至第二电连接点B，即输出直流电。当第一摩擦件2做匀速圆周运动时，输出的外电流为恒定电流。
[0054]在0°至180°的滑动过程中，第一摩擦件2从第二摩擦件5的表面滑出，即两个摩擦件的接触面积匀速减小，此过程第一电极I只与第二导电部件62接触，第二电极4只与第一导电部件31接触，摩擦发电机对外输出电流从第一电极I流向第二电极4,即从第二导电部件62经外电路电阻流向第一导电部件31，而由于第一导电部件31和第二导电部件61具有共同的第二电连接点B，第一导电部件32与第二导电部件62具有共同的第一电连接点A,因此在这个过程中，电流从第一电连接点A流向第二电连接点B。
[0055]在180°至360°的滑动过程中，第一摩擦件2从第二摩擦件5的表面滑进，即两个摩擦件的接触面积匀速增大，此过程第一电极I只与第二导电部件61接触，第二电极4只与第一导电部件32接触，摩擦发电机对外输出电流从第二电极4流向第一电极1，即电流从第一导电部件32经外电路电阻流向第二导电部件61，因此电流仍从第一电连接点A经外电路电阻流向第二电连接点B，从而实现了滑动摩擦发电机中，在180°至360°的滑动过程中输出电流的方向与在0°至180°的滑动过程中的电流方向相同。
[0056]图4示出了本发明第一实施例中第一摩擦件在0°至180°的运动过程中旋转摩擦发电机的等效电路图。如图4所示，第一摩擦件2从第二摩擦件5的表面滑出，摩擦发电机对外输出电流从第一电极I流向第二电极4，即从第一电连接点A经外电路电阻流向第二电连接点B。
[0057]图5示出了本发明第一实施例中第一摩擦件在180°至360°的运动过程中旋转摩擦发电机的等效电路图。如图5所示，第一摩擦件2从第二摩擦件5的表面滑进，摩擦发电机对外输出电流从第二电极4流向第一电极I，即电流仍从第一电连接点A经外电路电阻流向第二电连接点B。
[0058]第一摩擦件2继续做圆周运动，进入下一个运动周期，可使得输出至外电路的电流始终为直流电。当第一摩擦件2做匀速的顺时针圆周运动时，可得到流过外电路电阻的
恒定电流。恒定电流的大小I为:.0-0)
[0059]I =
[0060]其中，O为0°时两个接触摩擦件因相对运动而产生的电荷量，单位为C ; Co为第一摩擦件2做匀速圆周运动的角速度，单位为s—1 ； 9为两个接触摩擦件从重合至完全滑出所转过的角度，在本方案的设计中，0的大小可以为180°、90°、60°、45°等。
[0061]上述方案中，第一电极I和第二电极4的大小也可以反过来,即第一电极I小于第二电极4，但需要保证分别接触设置在其上的第一摩擦件2和第二摩擦件5相互接触，且第一导电部件和第二导电部件在滑动过程中分别与第一电极和第二电极接触。
[0062]另外，第一电极1、第二电极4、第一摩擦件2和第二摩擦件5的形状不仅仅局限于半圆环状，只要在做匀速圆周运动时，第一摩擦件2和第二摩擦件5的接触面积匀速变化即可。
[0063]导电部件的形状也不仅限于长方体，只要能和电极形成接触导电就行。比如与电极的接触端可以是圆头或其他形状。此外，第二导电部件和第一导电部件通常采用电刷实现，还可以采用其他导电部件，只要能够耐磨并导电就行，如硬铝等金属。
[0064]图6示出了本发明第二实施例中输出恒定电流的旋转摩擦发电机结构图。该实施例中旋转摩擦发电机的结构与第一实施例基本上相同。如图6所示,该旋转摩擦发电机包括第一摩擦件和第二摩擦件，第一摩擦件包括两个第一子摩擦件，第二摩擦件包括两个第二子摩擦件，且所述两个第一子摩擦件大小相同、相对位置不变且间隔均匀，多个第二子摩擦件的大小相同、相对位置不变且间隔均匀，且所述两个第一子摩擦件和所述两个第二子摩擦件分别为四分之一平面圆环结构。每个所述第一子摩擦件和第二子摩擦件上的外表面分别接触设置有第一子电极和第二子电极，且第一子电极和第二子电极也均为一四分之一平面圆环结构。每个第一子摩擦件的第一末端和第二末端设置有一对第一导电部件，每个第二子摩擦件的第一末端和第二末端设置有一对第二导电部件。所有位于第一子摩擦件第一末端的第一导电部件和位于第二子摩擦件第二末端的第二导电部件通过导线电连接于第一电连接点A，所有位于第一子摩擦件第二末端的第一导电部件和位于第二子摩擦件第二末端的第二导电部件通过导线电连接于第二电连接点B。
[0065]第一子摩擦件和第二子摩擦件数量和大小对应一致，且在滑动过程中每个第一子摩擦件的内表面和其中一个第二子摩擦件的内表面摩擦接触；位于第一子摩擦件第一末端和第二末端的一对第一导电部件中的一个始终与和该第一子摩擦件摩擦接触的第二子摩擦件的外表面设置的第二子电极接触，位于第二子摩擦件第一末端和第二末端的一对第二导电部件中的一个始终与和该第二子摩擦件摩擦接触的第一子摩擦件的外表面设置的第一子电极接触。其中，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件的第一末端和第二末端为在滑动过程中相互接触或相互分离时，最先接触或最后分离的端部。[0066]上述旋转摩擦发电机结构中，第一子摩擦件和第二子摩擦件的数量并不限于两个，还可以是多个。即第一摩擦件和第二摩擦件分别包括多个第一子摩擦件和第二子摩擦件，且多个第一子摩擦件大小相同、相对位置不变且间隔均匀，多个第二子摩擦件的大小相同、相对位置不变且间隔均匀，且所述多个第一子摩擦件和所述多个第二子摩擦件分别共同组合构成同心平面半圆环结构。在其他实施例中，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件所在圆环的内半径可以相同或不同，外半径可以相同或不同。
[0067]同样的，在0°至90°和180°至270°的滑动过程中，第一子摩擦件从第二子摩擦件的表面滑出，即两个摩擦件的接触面积匀速减小，此过程第一子电极只与和第一电连接点A连接的第二导电部件接触，第二子电极只与和第二电连接点B连接的第一导电部件接触，摩擦发电机对外输出电流从第一子电极流向第二子电极，电流从第一电连接点A流向第二电连接点B。
[0068]在90°至180°和270°至360°的滑动过程中，第一子摩擦件从第二子摩擦件的表面滑进，即两个摩擦件的接触面积匀速增大，此过程第一子电极只与和第二电连接点B连接的第二导电部件接触，第二子电极只与和第一电连接点A连接的第一导电部件接触，摩擦发电机对外输出电流从第二子电极流向第一子电极，因此电流仍从第一电连接点A经外电路电阻流向第二电连接点B，从而实现了滑动摩擦发电机中无论第一子摩擦件与第二子摩擦件相对滑动在哪个阶段都能输出同方向的电流。
[0069]图7示出了本发明第三实施例中输出恒定电流的旋转摩擦发电机结构图。如图7所示，本实施例中，该旋转摩擦发电机的结构基本与第一实施例中给出的旋转摩擦发电机相同，所不同的是第一摩擦件22和第二摩擦件25均为横截面为半圆环的柱状结构，第一电极21接触设置于第一摩擦件22的外表面，第二电极24接触设置于第二摩擦件25的内表面，且第一摩擦件22的内表面和第二摩擦件25的外表面相互摩擦接触；第一摩擦件22的半圆环第一末端和第二末端的外表面处分别设置有与其位置相对不变的一对第一导电部件231、232，第二摩擦件25的半圆环第一末端和第二末端的内表面处分别设置有与其位置相对不变的一对第二导电部件261、262 ;所述两个第一导电部件231、232与第一摩擦件22机械连接，所述两个第二导电部件261、262与第二摩擦件25机械连接。位于第一摩擦件22第一末端的第一导电部件232和位于第二摩擦件25第一末端的第二导电部件262通过导线电连接于第一电连接点A，位于第一摩擦件22第二末端的第一导电部件231和位于第二摩擦件25第二末端的第二导电部件261电连接于第二电连接点B。其中，所述第一摩擦件和第二摩擦件的第一末端和第二末端为在滑动过程中相互接触或相互分离时，最先接触或最后分离的端部。
[0070]所述第一摩擦件22的内表面可相对第二摩擦件25的外表面在顺时针或逆时针方向上做匀速摩擦滑动，且在滑动过程中，所述一对第二导电部件261、262中的其中一个始终与第一电极21的内表面电接触，而一对第一导电部件231、232中的其中一个始终与第二电极24的外表面电接触。且同时与第二电极电接触的第一导电部件和第一电极电接触的第二导电部件所连接的电连接点不同。
[0071]图8示出了本发明中第三实施例中输出恒定电流的旋转摩擦发电机的工作原理图。如图8所示，该实施例中旋转摩擦发电机的工作原理同第一实施例。
[0072]在0°至180°的滑动过程中，第一摩擦件22从第二摩擦件25的表面滑出，此过程第一电极21只与第二导电部件262接触，第二电极24只与第一导电部件231接触，摩擦发电机对外输出电流从第一电极21流向第二电极24,即从第二导电部件262经外电路电阻流向第一导电部件231,而由于第一导电部件231和第二导电部件261具有共同第二电连接点B，第一导电部件232与第二导电部件262具有共同第一电连接点A，因此在这个过程中，电流从第一电连接点A流向第二电连接点B。
[0073]在180°至360°的滑动过程中，第一摩擦件22从第二摩擦件25的表面滑进，此过程第一电极21只与第二导电部件261接触，第二电极24只与第一导电部件232接触，摩擦发电机对外输出电流从第二电极24流向第一电极21,即电流从第一导电部件231经外电路电阻流向第二导电部件261，因此电流仍从第一电连接点A经外电路电阻流向第二电连接点B，从而实现了滑动摩擦发电机中反向输出电流的极性反转。
[0074]图9示出了本发明第四实施例中输出恒定电流的旋转摩擦发电机结构图。该实施例中旋转摩擦发电机的结构与第三实施例基本上相同。如图9所示,该旋转摩擦发电机包括第一摩擦件和第二摩擦件，第一摩擦件包括两个第一子摩擦件，第二摩擦件包括两个第二子摩擦件，且所述两个第一子摩擦件大小相同、相对位置不变且间隔均匀，多个第二子摩擦件的大小相同、相对位置不变且间隔均匀，且所述两个第一子摩擦件和所述两个第二子摩擦件分别为横截面为四分之一圆环的柱状结构。每个所述第一子摩擦件的外表面和第二子摩擦件的内表面上分别接触设置有第一子电极和第二子电极，且第一子电极和第二子电极也均为其横截面为四分之一圆环的柱状结构。每个第一子摩擦件的第一末端和第二末端设置有一对第一导电部件，每个第二子摩擦件的第一末端和第二末端设置有一对第二导电部件。所有位于第一子摩擦件第一末端的第一导电部件和位于第二子摩擦件第二末端的第二导电部件通过导线电连接于第一电连接点A，所有位于第一子摩擦件第二末端的第一导电部件和位于第二子摩擦件第二末端的第二导电部件通过导线电连接于第二电连接点B。
[0075]第一子摩擦件和第二子摩擦件数量和大小对应一致，且在滑动过程中每个第一子摩擦件的内表面和其中一个第二子摩擦件的外表面摩擦接触；位于第一子摩擦件第一末端和第二末端的一对第一导电部件中的一个始终与和该第一子摩擦件摩擦接触的第二子摩擦件的内表面设置的第二子电极接触，位于第二子摩擦件第一末端和第二末端的一对第二导电部件中的一个始终与和该第二子摩擦件摩擦接触的第一子摩擦件的外表面设置的第一子电极接触，且同时与第二子电极电接触的第一导电部件和第一子电极电接触的第二导电部件所连接的电连接点不同。其中，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件的第一末端和第二末端为在滑动过程中相互接触或相互分离时，最先接触或最后分离的端部。在本发明的其他实施例中，第一子摩擦件与第二子摩擦件的高度可以相同也可以不同。
[0076]上述旋转摩擦发电机结构中，第一子摩擦件和第二子摩擦件的数量并不限于两个，还可以是多个。即第一摩擦件和第二摩擦件分别包括多个第一子摩擦件和第二子摩擦件，且多个第一子摩擦件大小相同、相对位置不变且间隔均匀，多个第二子摩擦件的大小相同、相对位置不变且间隔均匀，且所述多个第一子摩擦件和所述多个第二子摩擦件分别共同组合构成同心平面半圆环结构。
[0077]类似地，在0°至90°和180°至270°的滑动过程中，第一子摩擦件从第二子摩擦件的表面滑出，此过程第一子电极只与连接至第一电连接点A的第二导电部件接触，第二子电极只与连接至第二电连接点B的第一导电部件接触，摩擦发电机对外输出电流从第一电极流向第二电极，电流从第一电连接点A流向第二电连接点B。
[0078]在90°至180°和270°至360°的滑动过程中，第一子摩擦件从第二子摩擦件的表面滑进，此过程第一电极只与连接至第二电连接点B的第二导电部件接触，第二电极只与连接至第一电连接点A的第一导电部件接触，摩擦发电机对外输出电流从第二电极流向第一电极，因此电流仍从第一电连接点A经外电路电阻流向第二电连接点B，从而实现了滑动摩擦发电机中反向输出电流的极性反转。
[0079]其中，第一摩擦件和第二摩擦件可以分别采用绝缘体材料、半导体材料和金属材料中的任意两种。摩擦件的材料有多种选择:
[0080]绝缘体材料，例如常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明第一摩擦件、第二摩擦件的材料，此处列举一些常用的高分子聚合物材料:聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-C0-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料供技术人员参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在本发明技术方案的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。
[0081]相对于绝缘体，半导体和金属均具有容易失去电子的摩擦电特性。因此，半导体和金属也可以作为制备第一摩擦件、第二摩擦件的原料。常用的半导体包括:硅、锗；第111和第V族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第II和第VI族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由II1-V族化合物和I1-VI族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、Bi02和Y203 ;常用的金属包括金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料，例如铟锡氧化物IT0。
[0082]第一电极和第二电极需要分别与第一摩擦件和第二摩擦件有良好的接触，以保证发电机的输出性能，可以采用在摩擦件表面沉积电极材料的方法在摩擦件的表面接触设置电极，也可以在电极表面制备摩擦件实现电极与摩擦件的表面接触。常用的电极材料可以选自常用的电极材料，例如金属或者导电氧化物等导电材料。金属包括金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金，导电氧化物例如铟锡氧化物ITO等。
[0083]在本发明的其他实施例中，第一摩擦件与第二摩擦件的形状还可以有其他选择，只要保证在第一摩擦件与第二摩擦件的滑动摩擦过程中，接触面积匀速变化，在接触面积最大时变小(或者接触面积最小时变大)的同时，通过导电部件换向使外电路中的电流方向与大小始终不变。
[0084]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种输出恒定电流的旋转摩擦发电机，其包括: 第一摩擦件，包括至少一个第一子摩擦件，每个所述第一子摩擦件的一表面接触设置有第一子电极； 与每个所述第一子摩擦件相对位置不变的一对第一导电部件，分别位于第一子摩擦件的第一末端和第二末端； 第二摩擦件，包括与所述第一子摩擦件相等数量的第二子摩擦件，每个所述第二子摩擦件的一表面接触设置有第二子电极； 与每个所述第二子摩擦件相对位置不变的一对第二导电部件，分别位于第二子摩擦件的第一末端和第二末端； 其中，所有位于第一子摩擦件第一末端的第一导电部件与所有位于第二子摩擦件第一末端的第二导电部件电连接在一起形成第一电连接点；所有位于第一子摩擦件第二末端的第一导电部件与所有位于第二子摩擦件第二末端的第二导电部件电连接在一起形成第二电连接点； 所述第一子摩擦件的另一表面能够相对第二子摩擦件的另一表面在顺时针或逆时针方向上做匀速摩擦滑动；在所述滑动摩擦的滑动过程中，每对所述第一导电部件中的一个始终与第二子电极电接触，每对所述第二导电部件中的一个始终与第一子电极电接触，且同时与第二子电极电接触的第一导电部件和第一子电极电接触的第二导电部件所连接的电连接点不同，使得在该滑动过程中，第一电连接点和第二电连接点之间始终产生恒定的电流。
2.如权利要求1所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件均仅包括一个，且为同心平面半圆环结构。
3.如权利要求2所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件的内表面接触设置，第一子电极和第二子电极的内表面分别与第一子摩擦件和第二子摩擦件的外表面接触设置。
4.如权利要求1所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件包括多个，且多个第一子摩擦件大小相同、相对位置不变且间隔均匀，多个第二子摩擦件的大小相同、相对位置不变且间隔均匀，且所述多个第一子摩擦件和所述多个第二子摩擦件分别共同组合构成同心平面半圆环结构。
5.如权利要求4所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，每个所述第一子摩擦件和所述多个第二子摩擦件中的一个的内表面始终摩擦接触，第一子电极和第二子电极分别设置在第一子摩擦件和第二子摩擦件的外表面。
6.如权利要求3或5所述的旋转摩擦发电机,其特征在于，所述每对第一导电部件中的一个始终与第二子电极内表面/外表面电接触；所述每对第一导电部件中的一个始终与第一子电极内表面/外表面电接触。
7.如权利要求1所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件均仅包括一个， 且是横截面为同心半圆环的柱状结构。
8.如权利要求7所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，所述第一子摩擦件的内表面与所述第二子摩擦件的外表面摩擦接触，第一子电极设置在第一子摩擦件的外表面，第二子电极设置在第二子摩擦件的所述一个部分的内表面。
9.如权利要求1所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件分别包括多个，且所述多个第一子摩擦件大小相同、相对位置不变且间隔均匀，所述多个第二子摩擦件大小相同、相对位置不变且间隔均匀；所述多个第一子摩擦件和多个第二子摩擦件分别共同组合构成横截面为同心半圆环的柱状结构。
10.如权利要求9所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，每个所述第一子摩擦件的内表面和多个第二子摩擦件中的一个的外表面摩擦接触，第一子电极设置在第一子摩擦件的外表面，第二子电极设置在第二子摩擦件的内表面。
11.如权利要求8或10所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，所述每对第一导电部件中的一个始终与第二子电极外表面/内表面电接触；所述每对第二导电部件中的一个始终与第一子电极内表面/外表面电接触。
12.如权利要求1一11任一项所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，电流始终从第一电连接点流向第二电连接点。
13.如权利要求1一11任一项所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，第一子摩擦件和第二子摩擦件采用两种电负性不同的材料制成。
14.如权利要求13所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，第一子摩擦件和第二子摩擦件分别采用绝缘体材料、半导体材料或金属中的任意一种制成。
15.如权利要求14所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，所述第一子摩擦件和第二子摩擦件采用高分子聚合物材料制成。
16.如权利要求14所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，所述半导体材料包括晶态半导体材料、非晶态玻璃半导体材料、有机半导体材料。
17.如权利要求14所述的旋转摩擦`发电机，其特征在于，所述金属包括金、银、钼、铝、镍、铜、钛、铬、硒及其前述任意`金属形成的合金。
18.如权利要求1一11、14一 17任一项所述的旋转摩擦发电机，其特征在于，所述第一导电部件和/或第二导电部件为电刷。
【文档编号】H02N1/04GK103780136SQ201310507488
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】张弛, 唐伟, 周桃, 韩昌报, 王中林 申请人:国家纳米科学中心